第八章钢结构的脆性断裂和疲劳分解ppt课件.ppt

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1、第八章钢结构的脆性断裂和疲劳第一节钢结构脆性断裂及其防止一、脆性断裂破坏脆性破坏特征：破坏前无明显变形，平均应力也较小，没有任何预兆。破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状，突然发生危险性大，应尽量避免。脆性断裂破坏分类：①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。②非过载断裂：塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂。破坏时应力并未达到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂

2、的综合结果。一般认为，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在105以上者称为高周疲劳，属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次，每次都有较大的非弹性应变。典型的低周疲劳破坏产生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。焊接结构经常发生非过载脆性破坏的原因：焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。焊接结构中数值可观

3、的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。焊缝连接通常使得结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施，则可能一裂到底。对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生.处在低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。但是，如果处理不当，即便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。二、脆性断裂的防止按照断裂力学的理论，在弹性范围内，构件不致出现非过载脆性断裂的条件是：(8-1)式中——裂纹尖端的应力强度因子；a——裂纹尺度；σ—

4、—裂纹尖端的应力；——表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性。为了防止脆性断裂，需要从三个方面着手：①正确选用钢材，使之具有足够的韧性。②尽量减小初始裂纹的尺寸，避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。③注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。1．钢材选择所选择的钢材应有足够的冲击韧性。控制板件的厚度。注意低温条件下钢材的选择。2．初始裂纹对于焊接结构来说，减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量，限制和避免焊接缺陷。焊缝表面不得有裂纹。焊缝的咬边实际上相当于表面裂纹。由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的机会比工厂焊缝多，GB50017规范规定，

5、在工作温度等于或低于-20℃的地区，安装宜采用螺栓连接。3．应力式(8-1)的应力是构件中的真实应力.它不仅和荷载大小有关，也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的影响有关。因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况在抗脆断设计中必须避免。4．结构形式与构造细节1)、结构形式超静定结构：由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结构的失效，因此超静定结构对于减少断裂的不良后果一般是有利的。当然，要同时考虑由于地基不均匀沉陷、超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。静定结构：静定结构（构件）采用多路径传递荷载比单路径传递荷载在防止结构脆性断裂上效果更好。因为多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的

6、坍塌.2)、细部构造构造间隙的设置：当焊缝长度方向无垂直于间隙的拉力时，设置构造间隙有利于阻止裂缝的发展。否则，构造间隙的类裂纹作用十分有害。在它近旁的高度应力集中，高额的焊接残余应力，以及因热塑变形而时效硬化导致的基体金属的脆性提高，经常扮演诱发裂纹的角色。低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计。在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或者采用图8-4所示的构造方案。如图8-3是一些设置构造间隙的典型例子.低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计.在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或采用图8-4所示的构造方

7、案。止裂元件的设置：止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性材料做成的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-5所示.图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。角形连接构造：端竖板如果存在分层缺陷，构造不当会引起层间撕裂。因此，宜采用图8-6(a),(b)的角形连接构造，而避免采用图8-6(c)，(d)的构造方式。5．其他措施尽量避免使材料出现应变硬化：在制造安装过程中